KR20060077424A

KR20060077424A - 아크 전기로용 질소취입장치

Info

Publication number: KR20060077424A
Application number: KR1020040116272A
Authority: KR
Inventors: 장인훈; 조용석; 서종현; 장재량
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2004-12-30
Filing date: 2004-12-30
Publication date: 2006-07-05

Abstract

본 발명은 아크발생용 전극봉이 설치된 노체를 구비하고 장입물을 용융시켜 용탕을 생산하는 아크 전기로에서 질소가스를 취입하는 장치에 관한 것으로서, 노체의 측벽에는 상기 용탕에 산소가스를 취입하기 위한 한 쌍의 산소취입랜스와, 하나의 산소취입랜스에 산소가스를 공급하는 산소가스 공급배관에는 질소가스를 공급하기 위한 질소가스 분기관이 연결되어 있는 것을 특징으로 하므로, 산소교반을 대체하기 위하여 질소가스를 통한 용탕교반으로 Cr 산화물을 환원시켜 용탕실수율 및 크롬회수율을 향상시키고 또한 노체수명을 향상시킬 수 있다.

용탕교반, 질소가스취입, 크롬 회수율, 공급배관, 분기관

Description

아크 전기로용 질소취입장치{Apparatus for injecting nitrogen gas into an electric Arc furnace}

도 1은 질소저취설비가 설치되어 있는 종래 아크 전기로의 도면;

도 2는 본 발명에 따라서 질소가스 취입랜스가 측면에 설치되어 있는 전기로의 도면;

도 3은 도 1의 전기로와 도 2의 전기로에 있어서 노체사용횟수를 비교하여 나타낸 그래프;

도 4는 본 발명에 따른 전기로에서 질소가스 취입랜스를 통해 취입되는 질소유량에 따른 크롬 회수율을 나타낸 그래프;

도 5는 본 발명에 따른 전기로에서 질소 취입량에 따른 출탕온도를 나타낸 그래프.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

20 : 아크 전기로

22 : 전극봉

24, 26 : 산소취입랜스

30 : 산소가스 저장탱크

32, 34 : 산소가스 공급배관

40 : 질소가스 저장탱크

42 : 질소가스 공급배관

34a, 42a : 조절밸브

본 발명은 스테인리스강의 용해시 크롬의 회수율을 향상시킬 수 있도록 질소가스를 취입하기 위한 아크 전기로용 질소취입장치에 관한 것이고, 더 상세하게 전기로내의 용탕에 산소가스를 취입하는 한 쌍의 산소가스 공급배관 중 하나에 질소가스를 공급하는 질소가스 분기관을 연결하여 선택적으로 질소가스를 취입함으로써 용탕 상부의 슬래그로부터 크롬 산화물의 환원을 유도하여 크롬의 회수율을 향상시킬 수 있고 노체수명을 향상시킬 수 있는 아크 전기로용 질소취입장치에 관한 것이다.

일반적으로, 아크 전기로(electric arc furnace)는 제강용으로 많이 사용되는 것으로서, 이러한 전기로 내부에 장입된 피용융재와 3개의 전극사이에 아크의 형태로 전류를 흘려서 피용융재를 가열하여 용융시킨다. 상기 전극의 전원은 3상교류가 사용된다.

도 1을 참조하면, 종래의 아크 전기로(10)에 있어서 그의 상부에는 3개의 전 극(12)이 설치되고 그 바닥에는 교반용 가스를 취입하는 취입노즐(미도시)이 설치된다. 3개의 전극(12)에 전류를 통전시킴으로써 전기로(10)에 장입된 원료를 용융시킨다. 이때, 상기 취입노즐을 통해서 저장탱크(22)로부터 전기로 내부로 취입되는 질소 또는 아르곤과 같은 불활성가스가 전기로 내의 용융물을 교반시킴으로써 용융물 상부에 위치하는 슬래그로부터 Cr₂O₃, FeO, MnO와 같은 금속 산화물을 환원시킨다.

이 경우에 교반용 불활성 가스, 예를 들어 질소가스의 취입량이 작아 금속 산화물의 회수가 미비하다. 또한, 취입노즐은 전기로 노체에 비하여 용융물에 의한 내침식력이 상대적으로 약하기 때문에 상술된 바와 같이 취입노즐을 통해서 질소가스를 취입하는 기공방식(porous way)으로 금속 산화물의 회수작업을 실시하는 경우에 노체에 있어서 취입노즐의 설치부위가 침식됨으로써 노체수명이 짧아지는 문제점을 초래하였다.

또한, Cr₂O₃, FeO, MnO와 같은 금속 산화물을 슬래그로부터 환원하기 위하여, 전기로에 흑연을 투입하고, 투입되는 흑연이 슬래그중 금속 산화물과 반응하여 Cr, Fe, Mn 등의 금속을 회수하는 방식(C-injection)이 공지되어 있다. 이러한 흑연 투입방식은 전기로 2차 용해 작업중 스크랩(Scrap)이 90~95% 용락되는 시점에 실시하기 때문에, 슬래그 포밍(Slag-Foaming) 현상이 발생하여 전기로 출탕중 오버플로우(Over-Flow)가 발생하고 또한 흑연주입 유도배관에 구멍이 형성되는 등의 문제점이 발생되어 지속적인 사용이 불가능하였다.

그리고, 슬래그에 있어서 금속 산화물중 Cr₂O₃의 농도가 25% 이상을 차지하여 그 비중이 높은 경우에는 흑연에 의한 환원 반응속도가 느려지므로, 흑연주입방식에 의해서도 크롬은 환원이 잘 되지 않는 문제점을 초래한다.

본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 전기로의 용탕에 산소가스를 취입하는 한 쌍의 산소가스 취입랜스 중 하나의 취입랜스에 질소가스 공급용 분기관을 연결하여 선택적으로 질소가스를 취입함으로써 슬래그로부터 금속 산화물을 효과적으로 환원시킬 수 있고 또한 노체수명을 향상시킬 수 있는 아크 전기로용 질소취입장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 아크발생용 전극봉이 설치된 노체를 구비하고 장입물을 용융시켜 용탕을 생산하는 아크 전기로에 있어서, 상기 노체의 측벽에는 상기 용탕에 산소가스를 취입하기 위한 한 쌍의 산소취입랜스가 제공되고, 적어도 하나의 산소취입랜스에 산소가스를 공급하기 위한 공급배관에는 질소가스를 공급하기 위한 분기관이 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 분기관에는 질소가스의 공급량을 제어하기 위한 조절밸브가 제공되고, 상기 분기관이 연결된 산소가스 공급배관에는 산소가스의 공급량을 제어하기 위한 조절밸브가 제공되어 있는 것이 바람직하다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 아크 전기로용 질소공급장치의 구성에 대해 설명한다.

도 2를 참조하면, 아크 전기로(20)의 상부에는 아크발생용 전극봉(22)이 설치되어 있고, 이 전극봉(22)에서 아크를 발생시킴으로써 아크 전기로(20)에 장입되어 있는 장입물에 대한 용해작업이 진행된다. 이러한 용해작업시 전기로(20)에 산소를 취입하기 위한 한 쌍의 산소취입랜스(24, 26)는 아크 전기로(20)의 측벽(20a)에 설치된다.

산소취입랜스(24, 26) 각각에는 산소가스 저장탱크(30)로부터 산소가스를 각각 공급하기 위한 산소가스 공급배관(32, 34)이 연결된다.

본 발명에 따르면, 산소가스 공급배관(32, 34) 중 적어도 하나의 공급배관에는 질소가스 저장탱크(40)로부터 질소가스를 공급하기 위한 분기관(42)이 연결된다.

바람직하게, 분기관(42)에는 질소가스의 공급량을 조절하기 위한 조절밸브(42a)가 설치되고, 분기관(42)이 연결되는 산소가스 공급배관(34)에도 산소가스의 공급량을 조절하기 위한 조절밸브(32a)가 설치된다. 조절밸브(32a, 42a)는 실질적으로 산소가스 또는 질소가스의 공급을 차단하거나 또는 개폐시키는 작용을 수행하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 분기관(42)에 설치되어 있는 조절밸브(42a)가 닫혀진 상태에서, 산소가스용 조절밸브(32a)는 개방되어 공급배관(34)에는 산소가스만이 제공되는 반면에 분기관(42)에 설치된 조절밸브(42a)가 개방되어 있으면 산소가스용 조절밸브(32a)는 폐쇄되어 공급배관(34)에는 질소가스만이 공급된다.

이하, 본 발명에 따른 아크 전기로에서의 장입물에 대한 용융작업을 설명한다.

전기로 조업은 크게 점화기, 주용해기 및 승열기로 구분된다. 점화기와 주용해기에는 전극봉(22)에 통전을 개시하고 산소취입랜스(24, 26)를 통해 산소를 취입하면서 아크 전기로(20)에 장입된 장입물을 용융시킨다. 이러한 점화기와 주용해기에 있어서, 전기로 내부에서는 산화반응과 환원반응이 일어나고, 특히 전기로 내부의 금속성분들 중에서 비중이 가장 큰 Cr 성분에 대한 산화반응과 환원반응은 하기 식으로 표현된다.

산화반응: [2Cr] + 3/2 O₂ -> (Cr₂O₃) + Heat

환원반응: (Cr₂O₃) + [3C] -> [2Cr] + 3{CO} = -Heat

(Cr₂O₃) + [2Al] -> [2Cr] + (Al₂O₃) = + Heat

(Cr₂O₃) + [3Si] -> [4Cr] + 3(SiO₂) = + Heat

이때, 본 발명에 따르면, 전기로내 금속 산화물중 가장 비중이 큰 Cr₂O₃의 저감을 위해 산화반응을 억제시킬 필요가 있다. 이러한 산화반응 억제방법으로는 크롬(Cr) 함량을 낮추는 것이 가능할 수도 있지만 이는 후공정 작업을 어렵게 하므로 바람직하지 않는다.

따라서, 산화반응에서 Cr₂O₃함량을 감소시키기 위하여 0₂를 낮추는 것은 제어가 가능하므로 조업방법 변경이 가능하고 또한 용탕의 온도를 높이는 것은 투입전력이나 시간등 조업방법을 변경함으로써 가능하다.

또한, Cr₂O₃ 저감을 위해 환원반응을 촉진시키기 위하여, 상기 식으로부터 알 수 있는 바와 같이 C, Al, Si의 함량을 높이고, CO, Al₂O₃, SiO₂ 함량을 낮추어야 한다. 한편, 성분들의 함량을 제어하는 방법외에 속도론적인 방법으로써 교반력을 높이고, 슬래그 유동성을 확보하고, 온도를 향상시키는 방법이 확보된다면 환원반응을 촉진시켜서 Cr₂O₃ 함량을 저감시킬 수 있다.

따라서, 상술된 점화기와 주용해기가 종료된 후에, 산화환원반응이 격렬하게 일어나는 승열기에는 산소취입랜스(24, 26) 중 하나의 취입랜스(예를 들어, 26)를 통한 산소취입작업을 종료하고 질소가스를 취입한다. 즉, 전기로에 약 31000kwh~32000kwh 정도의 전력을 통전시켜 용탕이 형성된 후 용해완료전까지 질소가스를 취입한다. 이때, 전기로에 취입되는 질소가스의 취입량은 300~500N㎥/Ch 정도로 제한하면서, 산소가스의 취입량은 500N㎥/Ch 이하로 제한한다.

결과적으로, 승열기에 있어서, 질소가스가 용탕에 취입됨으로써 O₂ 함량을 저하시켜 O₂에 의한 산화반응을 억제하고 또한 용탕의 교반력을 향상시키면서 C- injection 조업을 대체하기 위함이다.

그리고, 환원제 투입부재(28)를 통해서 환원제를 용탕에 투입하여 환원반응을 촉진시킨다. 이때, 환원제는 Fe-Si-C 조성의 환원제가 사용된다. 이러한 환원제는 질소가스의 취입개시 직 후에 실시한다. 환원제의 취입량은, 예를 들어 Fe-Si-C의 환원제에 있어서 약 370kg 이상으로 유지한다.

[실시예]

표 1은 아크 전기로에 장입물을 장입한 후에 전극봉을 통전시켜 상기 장입물을 용융시킬 때, 하기에 나타난 바와 같은 통상의 조업, C-injection 조업 및 본 발명에 따른 질소취입조업 각각의 조건을 나타내고, 표 2는 각각의 조업결과를 비교하여 나타낸다.

통상의 조업에 있어서, 전극봉에 통전을 개시하여 전기로 장입물을 용해시키고, 특히 전기로 조업의 주용해기와 승열기 동안 산소를 취입하고 환원제로서 FeSi를 투입하였다. 산소취입과 통전을 종료하여 전기로 조업을 완료한 후에 용탕을 출탕하였다.

C-injectiion 조업에 있어서, 전극봉에 통전을 개시하여 전기로 장입물을 용해시키고, 특히 전기로 조업의 주용해기와 승열기 동안 산소와 흑연을 취입하고 환원제로서 FeSiC를 투입하였다. 산소취입, 흑연투입 및 통전을 종료하여 전기로 조업을 완료한 후에 용탕을 출탕하였다.

본 발명에 따르면, 른 질소취입조업에 있어서, 전극봉에 통전을 개시하여 전 기로 장입물을 용해시키고, 전기로 조업의 주용해기 동안 산소를 취입하였다. 그리고, 승열기 동안 질소가스를 취입하였다. 이때, 환원제로서 FeSiC를 투입하였다. 질소가스취입과 통전을 종료하여 전기로 조업을 완료한 후에 용탕을 출탕하였다.

[표 1]

조업조건	질소취입조업	C-injection	통상의 조업
장입물 장입량	100.271 톤	99.925 톤	100.331톤
용탕량	94.387 톤	93.863톤	94.075톤
통전량	35,420 kwh	35,613kwh	35,609 kwh
산소취입량	539 N㎥	1,017 N㎥	902N㎥
질소가스 취입량	300 ~ 400 N㎥	-	-
환원제 투입량	370kg FeSiC	192kg FeSiC	258kg FeSi
흑연 투입량	-	423 kg	-

[표 2]

구분	질소취입조업	C-injection	통상의 조업
슬래그중 Cr₂O₃	6.3%	8.4%	9.4%
Cr 실수율 (용탕Cr량/장입Cr량)	97.5%	96.0%	93.9%
용탕실수율 (용탕량/장입량)	94.1%	93.9%	93.8%

상기 표에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 질소취입조업을 실시하면 슬래그중 Cr₂O₃ 함량이 종래의 C-injecion 조업 및 통상의 조업과 비교하여 상대적으로 감소하였음을 알 수 있고 또한 Cr 실수율과 용탕실수율도 향상되었음을 알 수 있다.

도 3은 전기로 노체의 바닥에 설치된 질소노즐을 통해서 질소가스를 취입하였을 때 노체의 사용횟수와 본 발명에 따른 질소가스 취입랜스를 통해서 질소가스 를 취입하였을 때 노체의 사용횟수를 비교하여 나타낸 그래프이다. 도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 아크 전기로에 있어서 사용수명이 상당히 증가하였음을 알 수 있다.

도 4와 도 5는 질소가스 취입유량에 따른 슬래그중 Cr₂O₃ 함량과 용탕의 출탕온도를 각각 비교하여 나타낸 그래프이다. 질소가스 취입유량이 증가할수록 슬래그중 Cr₂O₃ 함량이 증가하는 반면에 용탕의 출탕온도가 저하됨을 알 수 있다.

질소가스 취입유량이 500N㎥/hr 이상인 경우에 용탕의 출탕온도가 1500℃ 미만으로 낮게 나타나며 이는 후속공정을 원활하게 수행할 수 없다는 문제점이 있다. 또한, 질소가스 취입유량이 200N㎥/hr 미만인 경우에는 슬래그중 Cr₂O₃ 함량이 약 9% 이상으로 나타나며 이는 상기 표에 나타나 있는 통상의 조업에 있어서 조업결과와 유사하다. 이러한 결과를 감안하여, 전기로 조업에 있어서 약 100톤의 장입물을 기준으로 하여 질소가스 취입유량은 2000~400N㎥/hr로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.

본 발명에 따르면, 산소교반을 대체하기 위하여 질소가스를 통한 용탕교반으로 Cr 산화물을 환원시켜 용탕실수율 및 크롬회수율을 향상시키고 또한 노체수명을 향상시킬 수 있다.

Claims

아크발생용 전극봉이 설치된 노체를 구비하고 장입물을 용융시켜 용탕을 생산하는 아크 전기로에 질소가스를 취입하기 위한 장치에 있어서,

상기 노체의 측벽에는 상기 용탕에 산소가스를 취입하기 위한 한 쌍의 산소취입랜스가 제공되고;

적어도 하나의 산소취입랜스에 산소가스를 공급하기 위한 공급배관에는 질소가스를 공급하기 위한 분기관이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 아크 전기로용 질소취입장치.
제1항에 있어서,

상기 분기관에는 질소가스의 공급량을 제어하기 위한 조절밸브가 제공되고, 상기 분기관이 연결된 산소가스 공급배관에는 산소가스의 공급량을 제어하기 위한 조절밸브가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 아크 전기로용 질소취입장치.
제2항에 있어서,

상기 분기관을 통해서 질소가스가 공급되면 환원제를 전기로의 용탕에 투입하는 것을 특징으로 하는 아크 전기로용 질소취입장치.
제3항에 있어서,

상기 환원제는 Fe-Si-C 조성으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 아크 전기로용 질소취입장치.